量子計(jì)算610μm長(zhǎng)程傳輸：解析6,100個(gè)原子陣列背后的G&H AOD

隨著2025年“國(guó)際量子科學(xué)與技術(shù)年"正式落入時(shí)間長(zhǎng)河，量子力學(xué)的百年輝煌完成了歷史性的接力。步入2026年，量子科學(xué)的熱度有增無(wú)減，隨著全qiu投資激增和關(guān)鍵技術(shù)突破的雙重驅(qū)動(dòng)下持續(xù)升溫。而量子計(jì)算機(jī)更是其中創(chuàng)新zui為活躍的前沿陣地，并且多個(gè)技術(shù)路線并行發(fā)展，離子阱、中性原子、光量子、超導(dǎo)、硅基半導(dǎo)體各顯神通，在不同應(yīng)用場(chǎng)景下形成互補(bǔ)格局，推動(dòng)從實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證邁向產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵躍遷。

但是隨著量子比特?cái)?shù)量的不斷擴(kuò)展，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)獨(dú)立量子比特的高保真度和高速度的光學(xué)操作正成為一個(gè)問題。在2025年秋季Optics.org的Quantum Focus特刊中，聲光領(lǐng)域英國(guó)Gooch & Housego介紹了他們?cè)诹孔涌刂祁I(lǐng)域的精密光子技術(shù)方面的領(lǐng)xian地位。G&H在量子領(lǐng)域的解決方案涵蓋聲光偏轉(zhuǎn)器AOD、聲光調(diào)制器AOM和多通道架構(gòu)AOMC，能夠?qū)崿F(xiàn)高速量子比特尋址、光束轉(zhuǎn)向和移頻——這對(duì)于冷原子操控、離子阱控制以及光子與量子比特的相互作用至關(guān)重要。

作為G&H代理商，昊量光電持續(xù)關(guān)注量子計(jì)算前沿。在2025年，這篇發(fā)表于《Naure》的論文《A tweezer array with 6,100 highly coherent atomic qubits》引爆了學(xué)術(shù)圈，來(lái)自加州理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了光鑷陣列qiu禁了6100個(gè)高相干的中性原子比特，而先前這種陣列僅能包含數(shù)百個(gè)量子比特。

“動(dòng)靜"光鑷協(xié)同

這項(xiàng)研究在室溫真空腔中，通過(guò)遠(yuǎn)失諧波長(zhǎng)（1055nm & 1061nm）對(duì)銫-133原子進(jìn)行高功率qiu禁。在此之上，研究團(tuán)隊(duì)巧妙地結(jié)合了兩種“動(dòng)靜結(jié)合"的光鑷技術(shù)：由空間光調(diào)制器（SLM）構(gòu)建大規(guī)模的靜態(tài)光鑷陣列，產(chǎn)生近12000個(gè)阱位（圖1）；同時(shí)，由聲光偏轉(zhuǎn)器（AOD）作為高靈活性的動(dòng)態(tài)光鑷，精確執(zhí)行原子的重構(gòu)、尋址與高效傳輸。

圖1 大規(guī)模銫原子光鑷陣列的捕獲情況： a 單次實(shí)驗(yàn)中光鑷隨機(jī)加載原子的快照；b 16,000 次實(shí)驗(yàn)迭代后的平均圖像

分區(qū)量子計(jì)算方案

此外研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于不同功能分區(qū)（Zone）的量子計(jì)算方案（圖2），分為存儲(chǔ)區(qū)（Storage）、相互作用區(qū)（Interaction）、讀取區(qū)（Readout）。在存儲(chǔ)區(qū)中，作為量子比特的銫原子通過(guò)AOD進(jìn)行重構(gòu)，將SLM陣列中隨機(jī)填充的原子重新排列整齊，實(shí)現(xiàn)12.6s的超長(zhǎng)相干時(shí)間。存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)任何位置的原子可以憑借AOD的動(dòng)態(tài)尋址功能，實(shí)現(xiàn)了原子從SLM靜態(tài)存儲(chǔ)位點(diǎn)到AOD的動(dòng)態(tài)勢(shì)阱的高保真轉(zhuǎn)移，并在500μm以內(nèi)相干運(yùn)輸至對(duì)應(yīng)的區(qū)域。

圖2 具備6,100個(gè)原子的分區(qū)式通用量子處理器布局構(gòu)想：存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)任意位置的原子，均可通過(guò)AOD在500μm以內(nèi)，被輸運(yùn)至相互作用區(qū)或讀取區(qū)。

AODF 4085性能解析

本文中首先將原子裝載到10個(gè)AOD光鑷中，并表征了約610μm的相干移動(dòng)過(guò)程（圖3左），保真度達(dá)到了99.95%，而這也為將來(lái)的大規(guī)模量子糾錯(cuò)打下基礎(chǔ)。銫原子的光鑷轉(zhuǎn)移過(guò)程中，光阱轉(zhuǎn)移保真度達(dá)到了99.81(3)%。這離不開G&H紅外波段AODF 4085（圖3右）的優(yōu)異性能，擁有30MHz的射頻帶寬也實(shí)現(xiàn)了單軸覆蓋范圍可達(dá)500–600 μm，而15mm的大輸入孔徑，為AOD帶來(lái)很高的光學(xué)分辨率，從而構(gòu)建高梯度、強(qiáng)qiu禁的動(dòng)態(tài)光鑷勢(shì)阱。

圖3左.十個(gè)光鑷位點(diǎn)在沿對(duì)角線（藍(lán)色）或直線（粉色）移動(dòng)時(shí)的示意圖及原子存活率。盡管直線移動(dòng)的路徑更短，但受限于柱狀透鏡效應(yīng)，其執(zhí)行速度慢于對(duì)角線移動(dòng)。右.G&H AODF 4085 實(shí)物照片

性能搶先看

Gooch & Housego AODF 4085

聲光晶體材料：TeO2

晶體聲速：0.705 mm/μs

波長(zhǎng)范圍：750-1064 nm

有效孔徑：直徑15 mm

射頻范圍&掃描角度：1064 nm 55-85 MHz 45.3 mrad

射頻平坦度：-2 db

最小衍射效率：70%，目標(biāo)

對(duì)角線掃描策略

特別值得一提的是，為了獲得超高的原子運(yùn)輸保真度，作者采取了一對(duì)正交的AOD 4085，通過(guò)對(duì)角線掃描的方案減少了柱面透鏡效應(yīng)。由于AOD的偏轉(zhuǎn)角度與提供的射頻信號(hào)的頻率一一對(duì)應(yīng)，在快速切換衍射角度運(yùn)輸原子的過(guò)程中，AOD內(nèi)頻率迅速變化，晶體內(nèi)部存在瞬時(shí)的“頻率梯度"，導(dǎo)致AOD的一級(jí)衍射光斑在掃描的軸向上發(fā)生類似透鏡的畸變，因此稱為柱面透鏡效應(yīng)。這種畸變會(huì)破壞光鑷勢(shì)阱的對(duì)稱性，使得原子在高速傳輸中容易脫離束縛，從而限制了AOD的整體掃描速度。

圖4 基于對(duì)角線移動(dòng)的分區(qū)架構(gòu)。該示意圖展示了一種與AOD對(duì)角線移動(dòng)兼容的分區(qū)布局。每條與特定 AOD 關(guān)聯(lián)的箭頭表示聲頻增加方向上的衍射軸。為了實(shí)現(xiàn)垂直方向（紅色）的一組移動(dòng)，需使用 AODx 和 AODy；而對(duì)于水平方向（綠色）的一組移動(dòng)，則需使用 AODx' 和 AODy。

這篇文章創(chuàng)新性地使用了二維AOD掃描系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)角線移動(dòng)（Diagonal Motion）策略，而非傳統(tǒng)在X，Y兩個(gè)方向上移動(dòng)光鑷（如圖3,4所示）。通過(guò)兩個(gè)正交的AOD 4085協(xié)同，在對(duì)角線移動(dòng)的過(guò)程中，光鑷在x和y方向上以相同的速率移動(dòng)，將柱面透鏡效應(yīng)轉(zhuǎn)化為球面透鏡效應(yīng)。雖然光鑷焦點(diǎn)偏移帶來(lái)的負(fù)面影響依然存在，但與單AOD直線移動(dòng)的情況相比，該影響已大幅降低。研究團(tuán)隊(duì)利用這一策略實(shí)現(xiàn)了在不犧牲速度的高保真度移動(dòng)，在1.6ms內(nèi)即完成了那610μm的原子傳輸，相干性幾乎無(wú)損失。

每一項(xiàng)偉大的量子突破，都離不開精密光學(xué)器件的支撐。G&H AOD在610 μm尺度下實(shí)現(xiàn)的精準(zhǔn)調(diào)度，不僅展示了器件的物理極限，更為未來(lái)大規(guī)模量子比特陣列的動(dòng)態(tài)互聯(lián)描繪了清晰的路徑。

昊量光電為您提供來(lái)自聲光技術(shù)領(lǐng)域企業(yè)——英國(guó)Gooch & Housego 公司聲光偏轉(zhuǎn)器AOD。作為G&H在中國(guó)地區(qū)的戰(zhàn)略合作伙伴，我們?yōu)槟峁I(yè)的選型以及技術(shù)服務(wù)。對(duì)于G&H及其聲光系列產(chǎn)品有興趣或者任何問題，都?xì)g迎通過(guò)電話、電子郵件或者微信與我們聯(lián)系，共同探討適合您系統(tǒng)的聲光產(chǎn)品選型與配置方案。

參考文獻(xiàn)

1. Manetsch, Hannah J., et al. "A tweezer array with 6,100 highly coherent atomic qubits." Nature 647.8088 (2025): 60-67.

2.Manetsch, Hannah J., et al. "Supplementary Information." Supplement to "A tweezer array with 6,100 highly coherent atomic qubits," Nature, vol. 647, 2025.

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